社会经济的发展与材料科学的演变_社会科学的演进规律
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社会经济的发展与材料科学的演变
材料科学的进步左右着人类文明的发展进程。一种新材料的应用，往往事关一个产业的兴衰。新材料产业已经渗透到国民经济、社会生活和国防建设的方方面面。目前，我国还只是一个材料大国，离材料强国还有较大差距。
新材料是战略性新兴产业的重要组成部分。新材料在我国经济发展中的作用如何？我国在世界材料领域占据怎样的位置？今后当重点培育哪些新材料？我国如何由材料大国向材料强国加快转变？
在人类社会的发展过程中，材料的发展水平始终是时代进步和社会文明的标志。人类和材料的关系不仅广泛密切，而且非常重要。事实上，人类文明的发展史，就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史。同时，材料的不断创新和发展，也极大地推动了社会经济的发展。在当代，材料、能源、信息是构成社会文明和国民经济的三大支柱，其中材料更是科学技术发展的物质基础和技术先导。以下从三个方面来分析社会经济发展和材料科学与工程学科发展之间的密切关系。
1.社会经济的发展对材料学科的发展始终发挥着巨大的推动作用
从25000年前人类开始学会使用各种用途的锋利石片，到10000年前人类第一次有意识地创造了自然界没有的新材料（陶器），是人类社会进步的象征，也是社会经济发展的结果。继陶器时代之后，由于人们生活方式的变化和战争等方面的原因，青铜的冶炼技术被发明并逐步达到很高的水平。后来罗马人发明了水泥，腓尼基人发明了玻璃，这些传统材料至今仍然为现代社会大量使用。当然，这些材料本身总是日新月异地变化着，在高新技术的推动和社会经济发展的要求下，其性能不断提高，从而满足了不同层次的社会需求。
人们至今仍记忆犹新的是近代的两次工业革命。第一次是由于钢铁材料的大规模发展，人们能够制造出无数的纺织机械和蒸汽机，给社会创造出巨大的财富。社会经济的巨大发展，使钢铁工业迅速增长。钢铁材料的大量使用，对其性能提出更高的要求，从而带动了金属材料学科（即金相学）的迅速发展。第二次工业革命是以能源（石油）的开发和应用为突破口，大力发展汽车、飞机及其他工业。新材料的开发和应用仍然是这次工业革命的基础，特别是高性能合金钢和高性能铝合金的广泛应用。制造工业尤其是汽车工业的发展，使合金钢的优异性能完美地展现出来；航空工业的发展，促进了铝合金、钛合金、镍基高温合金以及耐高温结构陶瓷的研究与开发。
随着石油天然气的广泛应用，以石油、天然气为原料生产的合成树脂、合成纤维、合成橡胶等高分子材料产品的石化工业迅速发展，带动了高分子学科的建立和发展。在材料科学与工程学科领域中，高分子学科与金属材料学科、无机非金属学科并列成为材料学科的重要分支。第一个合成高分子（酚醛树脂）的工厂是1907年问世的，经过20多年的发展，于20世纪30年代形成了高分子学科，此后高分子材料工业迅速发展，聚氯乙烯、尼龙、聚乙烯、聚丙稀、聚酯、聚甲醛等聚合物及改性品种层出不穷。高分子材料发展至今，已经渗透到人类社会生活的方方面面。进入21世纪以后，新时期国民经济可持续发展对高分子材料的发展提出了更高的要求，如高分子材料合成的新方法、高分子催化体系、绿色高分子合成化学、生物活性高分子材料的制备和功能化等。这些都促进了高分子学科的快速发展。
当今社会正处于信息时代。这场始于20世纪中叶的信息革命，是人类科学技术中上的一次重大飞跃，它对人类社会产生的深远影响，甚至超过了19世纪的工业革命。信息时代的快速发展和信息产业的巨大增长，给材料学科带来了史无前例的推动和促进作用。大规模集成电路的发展，使单晶硅材料及其制备加工技术迅速发展；在微电子和光电子学领域，化合物半导体材料迅速崛起，并发挥出越来越重要的作用。近年来，在以Si、GaAs为代表的第一、二代半导体材料迅速发展的同时，以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体材料也蓬勃兴起，成为第三代半导体材料。在信息社会中，信息记录和存储是极其重要的，信息记录材料的进步反映了人类信息记录的发展历程。从壁画、竹简到纸张和印刷术的发明，再到信息时代能够记录大量信息的磁存储介质材料和光存储介质材料。
总之，自从有了人类社会的历史以来，社会经济的发展对材料学科的发展始终发挥着巨大的推动作用。拿金属材料来说，似乎金属只是个有着悠久历史的传统材料，应该是定型和成熟的。事实上，由于社会经济的发展需要，金属材料在当今也是日新月异地发展着。钢铁材料已有近2000个品种，40000种规格。铝合金、镁合金的新品种也不断扩大，众多的金属键化合物也异军突起，还有数不胜数的各种功能金属材料，都极具发展潜力。2.材料科学与工程学科的发展对社会进步产生的巨大影响
材料科学与工程学科有着丰富的内涵，不仅包括金属、陶瓷等传统的结构材料，而且包含了具有众多特殊性能和用途的功能材料。人类生活离不开各种材料。可以说，材料不仅在人类生活中占有极其重要的地位，而且对社会经济的发展有着巨大的推动作用。材料，人类用来制作有用物件的物质，通常被视为人类社会进化的里程碑，因为对于材料的认识和利用能力，往往决定着社会的形态与人类生活的质量。一部人类文明史，从某种意义上讲，也可以称之为世界材料史。纵观从石器时代、青铜器时代到铁器时代的历史发展轨迹，我们不难发现材料在社会进步中的巨大作用。几乎每一种新材料的发现和利用，都会给社会生产与人类生活带来巨大改变，把人类文明推向前进。当历史进入20世纪下半叶开始的新技术革命时代后，新材料已成为各个高技术领域发展的突破口，并在很大程度上影响新兴产业的发展进程。技术发展中遇到的很多难题，有不少实际上是材料问题，没有新材料的开发应用，便谈不上新的技术产品和产业进步。比如，没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术； 没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的宇航工业；没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤维通信……
材料科学与工程的学科内涵和人才培养与社会经济发展的水平具有密切的关系。在现代社会，新材料以及新材料中的高新技术正在为人类展开一个新世界的画卷。人类使用各种材料创造新的生活，建构新的世界。新的材料也正在为人类文明握供新的行为理念，建立起人类扩展自身生存与发展空间的信心。它的现代发展使一种材料从单一功能向多种功能发展，而且，它使得人类超越自然界，实现了根据材料来设计产品，根据产品的需要，通过新的组成、结构和工艺设计来实现其所需功能的概念，也就是说，它的功能要求正在向着迎合人类在各个领域的需要而发展。由此，可以说，它已经成为人类从“自然王国”走向“自由王国”的动力源泉。
20世纪60年代以来，随着材料工程技术的迅猛发展，材料已经不仅在种类上得到拓展，而且在包括光、声、电、磁、力、超导、高塑，以及超强、超硬、耐高温等机能与性能上获得极大的扩展与深度发掘。此类新材料的出现，推进了高技术产品的智能化与微型化，从而极大地影响着人类的现代生活、社会结构与文化价值。
“新材料”包含着这样两个层面的含义：一是对传统材料的再开发，使其在性能上获得重大突破的材料；二是采用新工艺和新技术合成，开发出具有各种新的和特殊功能的材料。由此可以看出，新材料与新工艺、新技术有着密切的关系。－方面，新工艺与新技术的使用不断地扩展了人类的技术手段，从而使人类更加充分地开发传统材料中的各种新的性能或功能，更重要的是，通过新的合成工艺与技术，使人类获得种类更多、性能更佳的材料，如纳米材料、多相材料。另一方面，诸多具有特殊性能材料的涌现，推动了高新技术的快速发展。这一点，在现代社会表现得尤为突出。可以说，新材料已经成为高新技术的基础与先导。
从某种意义上来说，人类正生活在一个材料与能源构建的世界里。新材料与新能源，以及新材料与新能源中的高新技术的发展，正在极大地丰富着人类的物质与精神生活。在这个世界中，新材料与新能源的价值体现，显然不仅仅是诸多新的产品的涌现，更重要的是，它们广泛渗透于人类的生活，影响着人类的生存质量；它们奠定了工业经济与技术的物质基础，成为一个国家经济实力的标志；它们影响着世界的政治格局，成为保障国家安全，减少社会风险的重要因素；它们推进人类对于自然的新认识，拓展人类的生存能力与发展空间，打造人类对于这个世界新的概念与价值观念。正是在这个意义上，我们可以说，材料与能源是人类文明的奠基石。
材料是支撑工业生产与工业技术的物质基础。在现代社会的经济生活中，诸多高新技术产品都是与新材料技术的发展密切相关。新材料技术已经成为一个国家工业水平与技术能力的一个十分重要的标志。
在现代经济结构中，新材料技术在国家发展中的战略意义是不容忽视的。在材料技术领域，高温结构材料、多功能材料、超导材料、激光材料、生物材料等高性能材料的开发与利用已经获得突飞猛进的发展。材料技术为航空、航天工业提供了强度更高、刚性更好、质量更轻的新型材料；先进陶瓷材料极大地扩展了它的应用范围和领域，从而使它成为未来工业重要的原材料。据专家估计，用陶瓷材料替代金属材料制作发动机部件，将使发动机耗油量减少30％以上；电子信息材料的发展促进了信息产业的发展，使信息产业成为许多国家的支柱性产业；超导材料实现了陶瓷无机材料的无电阻状态，而超导技术的广泛应用使许多方面发生着飞跃式的发展；激光和光导纤维材料技术的发展，正在把人类带入光通信的时代；生物材料为人类提供了新的医疗手段，并且创造着人类健康新概念；而纳米技术则通过对原有各类材料进行纳米级结构单元的重组，极大地改进了原有材料的性能与功能。由此可见，新材料技术已经成为推进一个国家产业升级，影响产业结构变化的重要因素，新材料的开发与利用也正在成为一个国家重要的支柱性产业。新材料技术虽然是一个高投入的领域，但它同时也是一个具有高回报率的领域，正由于此，许多国家都将开发先进材料置于其优先发展的重点项目。
20世纪80年代出现的新技术革命把新材料、信息技术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。美国国防部1991年提出20项关键技术，有5项以材料为主。同年，美国白宫发布美国国家关键技术项目共6领域22项关键，材料为6领域之一。材料合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属与合金5项为关键。从1995年至2001年每两年更新一次的《美国国家关键技术》报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。2001年日本文部省科学技术政策研究所发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上的课题为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。日本发表的《21世纪初期产业支柱》所列的新材料领域的14项基础研究计划中，其中七项——非线形光电子材料、超耐环境先进复合材料、仿生材料、适合生物的材料、新功能精细陶瓷、新功能玻璃质材料、硅化学材料和微电子材料等都涉及无机非金属新材料的研究领域。欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等在他们的最新科技发展计划中,把功能材料技术列为关键技术之一加以重点支持。德国的《材料科研10年规划》，欧共体的《尤里卡计划》、俄罗斯的《科学技术进步综合纲要》等也把无机非金属新材料的研究作为重要的内容。我国863高技术发展计划，材料是7个重点之一，重大基础研究攀登计划的30个重大课题中有7个与材料直接有关。
下面举例说明材料科的发展对20世纪文明发展的重要性以及对20世纪社会经济的巨大推动作用。
20世纪最重大的科技成就之一就是人类实现了原子核内部巨大能量的释放。尽管原子能时代的降临是以核武器为开端的，但核材料也能造福人类，特别是核动力反应堆、同位素的应用、核医学等。核反应堆一般采用热中子堆，堆心的结构件必须采用锆合金，因为只有锆合金吸收中子的几率比较小，不会扼杀堆内的链式反应。所以，要建设核电工业系统，必须建立锆材料工业。
当今最具时代特征的工业是信息产业，而信息产业的基石就是半导体材料。任何高度复杂、高度精细加工的集成电路，都需要高纯度、高度掺杂的半导体材料和各种先进工艺的应用。信息技术的每一次突破都与材料和工艺的创新有着密切的关系。高密度的光磁记录材料给信息的存储提供了极大的便利。激光材料也是现代信息科技的一部分。各种波长的激光晶体、半导体激光器、激光光导纤维等对信息传输和信息高速公路的实现起着决定性的作用。
在航空航天技术的发展过程中，材料的发展水平对航空航天器的性能至关重要。航空用结构材料最主要的性能是高比强度和高比刚度，同时具有良好的工艺性能。高强度铝合金、钛合金及碳纤维增强的树脂基复合材料，是主要的航空材料。火箭、导弹材料与航空材料相比，则要求瞬时性能。导弹壳体材料对导弹的射程至关重要，由金属改为石墨纤维增强的复合材料时，导弹射程增加近1000公里。
进入21世纪后，新能源材料的发展将对社会经济产生重要影响。为了保障世界经济的可持续发展以及解决越来越严重的温室效应和大气污染等环境问题，新能源材料将引导传统能源向洁净能源、可再生能源、分散型能源等多元化能源发展。除核能外，当今太阳能材料、燃料电池材料、锂离子电池材料等取得了很大的研究进展，不久的将来必然会对社会经济等方面产生巨大影响。
3.社会经济及其他相关学科的发展与材料学科发展之间的关系
材料是一门实用的直接的科学和技术，它不同于抽象的衍生的科学。也就是说，谁也不能忽视材料是为了某种需求而发展的，它往往具有明确的使用目标，所以，社会经济发展的需求，总是对材料的研究和发展产生了巨大的推动和牵引作用。
一般来说，材料的基础研究和带有明确目的的开发性研究都各有它们的价值。它们的效用有长有短，在实际生产上的体现有快有慢，但有一点是相同的，那就是要不断探索。材料的应用研究一旦成功，即一种材料诞生之后，它的应用价值和市场开发可以产生较大的辐射作用。比如金属钛，作为一种航空材料，可用于飞机，但也可用于化工、建筑、潜艇、首饰等。其应用越广，需求量越大，则生产成本越低，越能带动相关领域的研究和发展。现在的材料科学与工程学科，是由过去形成的一些独立学科如冶金、陶瓷、高分子、复合材料等聚合而成，它和物理、化学等一些学科有着非常密切的关系，在许多情况下几乎难以区分，所以材料学科是多学科性的。20世纪后期，由于材料的应用越来越广泛，并渗透到各行业，许多领域都与材料的制备、性质、应用等密切相关，使得材料成为机械、电子、化工、建筑、能源、生物、冶金、交通运输、信息科技等行业的基础，并与这些相关学科交叉发展。所以，材料学科与其他学科的交叉是一个必然趋势，也是材料学科发展的一个重要特征。
现代科学技术发展的特点是，一方面学科呈现出多科性，新兴学科不断涌现；另一方面，学科发展又呈现出高度综合的趋势，交叉学科和边缘学科层出不穷。学科交叉的形式可以多种多样。如美国的著名大学一般都设有材料研究中心或材料研究实验室，其研究人员往往横跨包含了高分子、金属、陶瓷、表面改性、解剖、动物实验、细胞培养等研究方向。
国内绝大部分理工科高校一般都设有材料科学与工程系（或学院），包含的专业主要为材料类专业。未来科技的发展将是多学科的交叉和综合。为了迎接未来的知识创新和人才培养的新趋势，有必要在大学里建立新的结构层次，即跨学科的交叉中心。比如，把材料科学、生物科学、医学工程科学结合在一起，构成交叉学科中心，这样必将大大推动材料学科在新领域的增长点。4.新能源新材料点燃经济增长新亮点
在刺激经济的4万亿元投资规划和十大产业振兴规划之后，新能源、新材料、节能环保等新兴产业最终定位为国家战略性产业，在规划出台之后，国家还将在财政、信贷等方面进行多角度的大力扶持。目前相关规划处于征求意见阶段。
2010年10月18日发布的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》规划到2020年，不仅包含核能、风能、太阳能和生物质能的开发利用，还包括洁净煤、智能电网、分布式能源、车用新能源等对传统能源升级，将采取有效措施加大节能力度，提高传统能源清洁化利用水平，同时推进替代产业发展，加大天然气等清洁能源利用规模。随着规划实施，未来10年将累计直接增加投资5万亿元，每年增加产值1.5万亿元。新能源将成为中国国民经济的先导产业。
截至2009年底，我国非化石能源在能源消费中比重仅为8%左右，根据新兴能源产业发展规划，预计到2015年，非化石能源占一次能源消费比重达到11%，到2020年比重达到15%。可见未来十年我国对新能源的需求非常巨大。
预计到2015年，我国天然气利用规模将达到2600亿立方米，在能源消费结构中比例预计将从目前的3.9%提高到8.3%左右。水电利用规模将达到2.5亿千瓦，核电利用规模将达到3900万千瓦。水电和核电在一次能源消费中的占比将提高1.5%，达到9%。其他非水能可再生能源利用规模也将达到1.1亿吨标准煤，占一次能源消费总量比重提高1.8%，达到2.6%左右。到2015年，我国非化石能源占一次能源的消费比重将有望达到11%左右，而煤炭在一次能源消费中的比重则会从2009年的70%左右下降到63%左右。
据初步测算，到2020年要完成非化石能源消费占比15%的目标，核电规模至少达到8000万千瓦以上，水电装机规模达到3.8亿千瓦以上，风电装机规模达到2.5亿千瓦，太阳能装机容量达到2000万千瓦，生物质发电达到3000万千瓦。
按照初步测算，新兴能源产业规划实施以后，到2020年将大大减缓对煤炭需求的过度依赖，能使当年的二氧化硫排放减少约780万吨，当年的二氧化碳排放减少约12亿吨。
业内人士称，高达5万亿的巨额投资将大大推动相关产业的发展，尤其是核能、风能、光伏、洁净煤、智能电网、车用新能源等核心产业将迎来巨大的市场空间，各个领域一批上市公司将从中成长起来或者获得巨大收益。另一方面，5万亿投资规划期为2011~2020年，时间跨度长达10年之久，平均分配下来，年投资额度在5000亿左右，短期内推动效果并不明显；这5万亿投资计划更多的是为了推动产业结构调整，达到了节能减排的目的，其实质性利好是在中长期。因此未来10年新能源行业将进入快速发展阶段，成长空间相当广阔。
另一个重要的战略性新兴产业——新材料，被称作“新兴产业的奠基石”。因为新材料几乎渗透到了国民经济的各个领域，从我们穿的衣服、用的餐具、乘坐的交通工具、栖居的住宅到工作的场所，可能都正使用着新型材料；从大飞机、高铁路、新能源汽车等重点工程，到三网融合、物联网、节能环保等重要产业，都需要一系列新材料技术的突破和应用。新材料，是发展新兴产业当之无愧的奠基石。
近几年，我国新材料产品的市场增长率基本维持在10%以上，某些重要的新材料品种市场增长率甚至超过20%。目前材料行业在我国国民经济中占有重要地位，整个材料行业产值约占全国GDP的28%。
“十一五”期间，国家将新材料作为高技术产业工程重大专项，重点发展特种功能材料、高性能结构材料、纳米材料、复合材料、环保节能材料等产业群。在2010年6月，国家强调要大力发展新材料，重视材料的环境友好性、可再生循环性、制备使役全过程的节能减排特性，加快推进材料产业结构调整，积极发展先进结构材料和复合材料、功能材料等，积极发展电子信息材料、器件和系统技术等。这些政策极大地促进了新材料产业的发展。
前不久，《新材料产业“十二五”发展规划》专家论证会已经在京召开，文件修改完善后将发布实施。这个规划是我国第一个关于新材料产业发展的指导性文件，具有较强的开创性，目标明确，重点突出，对于“十二五”期间新材料产业发展具有重要指导意义。
规划初稿还提出，力争到2015年，建立起具备一定自主创新能力、规模较大、产业配套齐全的新材料产业体系，突破一批国家建设急需、引领未来发展的关键材料和技术，培育一批创新能力强、具有核心竞争力的骨干企业，形成一批布局合理、特色鲜明、产业集聚的新材料产业基地，为新材料产业持续快速发展奠定坚实基础。
目前，我国高性能的材料、核心部件严重依赖进口，关键技术受制于人，面临着一系列关键材料技术突破问题。业内人士表示，作为发展战略性新兴产业的基石，“十二五”期间我国新材料产业在政策的支持下，有望迎来跨越式发展，A股市场上涉及大约70家上市公司或将率先受益。
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